专利名称:光学系统的制作方法
一般说来，本发明是关于光学系统，例如光通信系统和光计算机。
光学系统，例如光通信系统和光计算机的使用和不断发展，是由于这种系统有能力，或者说有可能传输和/或处理大量的信息，其速度之快是纯电子系统所不及的。
上述的光学系统，一般包括一个或多个电磁射束发射源，例如一个或多个半导体激光器;处理由源发射的电磁射束的一个器件(或多个器件);一个或多个检测处理过的电磁射束的检测器。由源发射的电磁射束被传送到一个处理器件上(或多个处理器件上)，然后通过空气、真空或通过诸如光纤的光波导传送到多个检测器。
用于光学系统的处理装置包括，例如开关(将电磁射束从系统的一个光波导转换到另一个光波导的装置)，幅度调制器(改变电磁射束强度的器件)和多路复用器/多路分离器(用来把多个光波导传送的电磁射束集中到一个光波导上的器件，或反之)。目前这些器件一般用电一光材料制造，例如铌酸锂。这种处理是用电子学方法实现的，例如一个开关包含一个或多个平面波导(一般在光通信中使用其他形式的光波导，例如光通信系统中的光纤)，是用淀积掺杂的方法在铌酸锂基片上形成的，例如钛。在基片表面形成平面波导所要求的图形，然后用加热基片扩散掺杂到基片之中，从而形成平面波导。另外在一个或多个平面波导的背面形成电极。为了产生开关作用，将一个电压加到这些电极之间，从而导至铌酸锂产生局部的光学极化变化，使之局部改变折射系数，因此改变光从一个平面光波导到另一个平面光波导的光路。重要的是开关速度依赖于电极的图形结构。例如，当电压加在块形电极时，开关时间由电极的时间常数R.C所限制，一般为几个毫微秒(ns)。去掉所施加的电压引起光学极化的变化和折射系数变化的消失几乎是同时发生的)。结果，周期时间(相继两个开关动作间隔时间)被限制在几个毫微秒范围内(不小于)。重复速率(每单位时间内开关操作的次数等于周期时间的倒数)被限制在3×108HZ数量级之内。另一方面，当使用一种行波(传输线型)电极图形时，几百微微秒(ps)的开关时间和周期时间是容易做到的，得到的重复速率可高达3×109HZ。
为了实现如此之短的周期时间和较高的重复速率，本发明所建议和探索的装置采用纯光学方法来处理。也就是，所建议的装置一般包含一个作为处理电磁射束(下文称为信号束)的传输介质的材料区。重要的是选择传输介质，当用第二个电磁射束(下文称为控制束)照射时，该介质呈现非线性光学响应(折射系数和/或光学吸收的变化)，利用这种非线性光学响应束实现对信号光束的处理。
捷威尔等人披露了一种使用纯光学处理的典型装置。J.L.Jewell et al.，“Parallel Operation and Crosstalk Measurements in GaAs Etalon Optical Logic Devices，”Applied Physics Letters，Vol.48，No。20，19 May 1986，pp.1342-1344。这一装置是一个砷化镓(GaAs)样品块，它包含一层GaAs层(一种无机半导体材料)，其厚度小于1μm，夹在两层介质镜面之中。镜面的设计是使其对于约890nm波长的电磁射束呈现较高的反射率，同时对波长约为800nm的电磁波束具有较低的反射率。并且将这个样品块设计成在890nm波长情况下传输曲线上出现一个峰值。在工作时，当没有控制束照射到GaAs上的情况下，890nm波长的信号束受到较小的吸收，因此大部分被传输了。另一方面，当用具有800nm波长的控制束照射砷化镓的情况下，砷化镓上的价带电子被激发为导带电子，改变了砷化镓的折射系数，因此(实际上是同时的)使样品块的传输峰离开了890nm，结果使具有890nm波长的信号束受到较低的传输。取决于GaAs的厚度，样品块传输的减小呈现为一个衰退期特性τ，(在切断控制束后，传输系数衰减到原来数值1/e时的时间间隔)，其范围为200ps-15ps。重要的是上述衰退期限制了该器件的速度，也就是说，在样品块的传输上产生一个大的衰减后，直到第一次传输衰减已经绝大部分消失之前，不能第二次接通控制射束，其典型值约取2τ。因此，取决于砷化镓的厚度，该器件的周期时间(两个相继的低传输率状态的间隔时间)的范围为400ps-30ps。因此，重复速率的范围为2.5×109HZ-3.3×109HZ。
与使用光机半导体材料，例如砷化镓，不同，还建议处理器件采用有机材料，例如聚二乙炔(PDA)Polydiacetylene(PDA)，关于这一问题，我们知道一种PDA的特殊结晶结构，例如聚-2，4-乙二炔-1，6二醇双(对甲笨硫酸盐)(PDA-PTS)Poly-2，4-hexadiyn-1，6-diol bis(p-toluene sulfonate)(PDA-PTS)其所呈现的吸收频谱如图1所示，它包含一个较高吸收的波长范围(这个范围的吸收系数α约大于或等于2×104cm-1)从640nm延伸到较短的波长。众所周知，这个较高的吸收范围是与由于光子吸收所产生的电子从较低的电子能级(基态)激发到较高电子能级有关系。重要的是，人们早已知道，PDA在某些具有较低吸收率的波长上呈现出较大的非线性光学响应(与其他材料相比较)，也就是在α小于2×104cm-1的波长上，基本上认为这种响应和衰退是同时发生的，例如在10-15秒之内。不幸的是这种非线性响应的数值一般说来是太小了(虽然与其他材料相比较还是较大的)，以致于对器件的实际应用而言，是毫无用途的。另一方面，从们早已认为，呈现较高吸收的波长下的非线性光学响应(α等于或大于2×104cm-1)将具有更长的衰退期。
在PDA-PTS上产生的，其波长范围从651.5nm(这一波长是外于从大约640nm向较短的波长延伸，相对于高吸收率范围的长波长的边缘)到大约701.5nm的非线性光学响应及其衰退期的实验研究已经在开展，并且由卡特等人在下述文献中已有所描述“Time and Wavelength Resolved Nonlinear Optical Spectroscopy of a Polydiacetylene in the Solid State Using Picosecond Dye Laser Pulses，”Applied Pkysics Letters Vol.47，No.5(September 1，1985)，pp 457-459。这一研究包括使用常规的，简并四波混合degenerate four-Wave mixing，也就是两个相同波长的电磁射束脉冲在PDA-PTS区进行干涉，产生周期性强度的变化，从而导至折射系数周期性变化的非线性光学响应，实际上这就是体积衍射光栅。这些脉冲具有持续期约为6ps的宽度和2.5×107w/cm2的峰值强度。第三个具有相同波长、持续期和强度的电磁射束照射在PDA-PTS上，并被衍射光栅所衍射而产生第四个电磁射束，它传过PDA-PTS的厚度，然后被检测器所检测。通过改变相对于最初两个脉冲之后的第三个脉冲的到达时间，较高吸收区的PDA-PTS的边缘部分的非线性光学响应的持续时间被确定为小于脉冲的持续时间，也就是小于6ps。基于上述实验数据并做出若干个假设，这意味着在较高吸收的波长上，例如625nm处，非线性光学响应将会有一个小于6ps的袁退期。其中一个假设是基于这样一种结论，也就是在PDA-PTS的吸收归结于仅仅存在单一的电子激发状态，并且这种状态是由于两个干涉脉冲的存在而产生的。
至今，尚没有这样的实验结果的报道，这就是PDA确实在在相当高的吸收的波长上，存在一种具有衰退期约小于6ps的非线性光学响应。由于缺乏这种证实，PDA在快速光学处理器件上的实际应用上仍然存在问题。
因此，从事光学处理器件开发的专家们已经探索出了，并继续探索能实现高重复速率的快速器件。
本发明包括在材料中，例如PDA有机材料，经谐振光学(控制束)的激发，即在α大于或等于2×104cm-1波长的光激发下，找到容易增值的多种状态。这些状态包括较短寿命状态和较长寿命的状态。并且通过选取波长、持续时间和控制射束的强度来确定哪一种状态或哪些种状态。例如，在PDA-PTS情况下，已经发现只有在第一电子能级(在…住…S1)，在所提供的入射控制束是波长为625nm的脉冲形式，持续时间约为2ps或长些(半峰值宽度)以及强度(每单位面积脉冲能量与脉冲宽度之比)等于或者小于4×606w/cm2时，具有衰退期约为2ps的状态增殖。如果相应的非线性光学响应具有等于S1的衰退期，那未控制束脉冲持续时间应当小于或等于2ps(避免使S1重复增值，从而产生较长的非线性光学响应)。结果，周期时间(在这个非线性光学响应)小到4ps(两倍于非线性光学响应的衰退期)，相应的重复速率约高达2.5×1011HZ是容易实现的。
相反，还发现这样的情况，波长等于625nm的控制束脉冲，持续时间等于或大于2ps，强度大于4×106w/cm2，结果在三重状态增殖(在此用T1表示)如同S1。重要的是这一三重状态呈现的衰退期等于40μs。因此，如果控制束脉冲(波长等于625nm)具有例如2ps的持续时间以及控制束具有2.5×107w/cm2的强度(Carter等人使用过的强度)，因此使非线性光学响应包含有两种成分，一种是2ps的衰退期成分，另一种是40μs的衰退期的成分。由小于40μs时间间隔分割的相继重复的控制束脉冲，必然导至在T1中的不断增加增殖(直至建立稳定的增殖状态)。它将显现出相应的非线性光学响应，也就是这个响应包含(一个较慢的)呈现衰退期等于40μs的成分，结果在周期时间约小于40μs以及重复速率约高于2.5×104HZ情况下，非线性光学响应的形式将取决于重复速率，也就是较慢的成分的相对幅度将随着重复速率的增加而增加。
还进一步发现，甚至在相当低的强度情况下，使较短的波长(高频率)控制束来发射，例如488nm波长的控制射束，结果导至在PDA-PTS中T1的增值。因而也导至如上述讨论过的相当慢的非线性光学响应。
本发明参照如下附图进行说明图1是关于PDA-PTS的吸收系数α作为光子能量和波长入的函数的曲线;
图2描述本发明的光学系统;
图3和图5-9描述本发明光学处理器件的实施例;
图4描述PDA的结构;
图10描述在PDA-PTS中使用单一控制束脉冲，其波长为625nm，持续时间等于70毫微微秒(mps)，强度等于1010w/cm2;
图11-12描述在PDA-PTS中使用相同波长和持续时间，但强度不同的控制束脉冲导致的谐振非线性光学响应;
图13描述本发明的光学处理器件的另一实施例;
图14描述图13所描述的形式的光学处理装置所实现的暂态-吸收频谱的实验结果。
本发明包含一个光学系统，例如一个光学通信系统或一个光计算机，它包含一个或多个光学处理器件，至少使用一个这种器件，至少部分地采用纯光学处理。重要的是这种器件包含例如有机材料的一种材料，这种材料在一个或多个谐振波长上呈现非线性光学响应。另外，这些器件至少包括一个电磁波射束源，该射束源发射一个控制波束，其波长、持续期和强度选择得在上述材料中产生一种谐振，在相当短的时间内的非线性光学响应，使基本上没有任何较慢的成分，甚至在重复速率高于2.5×104HZ(也就是使用卡特(Carter)教导的持续时间和强度时，产生较慢的成分的重复速率)，或者高于3.3×1010HZ(高于用砷化镓样品块可实现的)，或者高于2.5×1011HZ(在PDA中提供适当的波长、持续时间和强度很容容易实现的)。
参照图2，本发明的光学系统10包括至少一个电磁射束源20(信号)。例如至少一个半导体激光器，在光学通信中有一个或多个装置用来处理由这个源20(或几个源)发射的电磁射束(信号)。在这些处理装置中至有有一个处理装置40，该装置(至少部分地)使用纯光学处理。在利用处理装置40进行光通信中，系统10中还至少包含一个电磁射束检测器60。在本发明的另一个实施例中，源20与处理装置40相联接，它依次通过光波导30和50，正如图2所示的光纤与检测器60相联接。另外，光通信是通过在空气中或真空中传输未处理的和处理过的电磁射束来完成的。
根据本发明，处理装置40包含一个材料区42(如图3所示)，它呈现一个或多个谐振波长，也就是材料42所呈现的吸收系数α在每个上述波长下都大于或等于2×104cm-1。(就本发明而言，在上述波长下，所产生的谐振是与一种或多种材料激发相连系的，例如电子激发、振动激发等等)。另外，该装置40包含一个(或多个)能够在一个谐振波长上或在多个波长上提供控制束的电磁射束源44。重要的是材料42与控制束的持续时间、强度、谐振波长(或多个波长)一样，应该这样来选择，即仅仅使具有衰退期约小于40μs，或约小于15ps，或甚至于小于2ps，或更小的一个能级状态(或多个能级状态)增值。(这里一个能级的衰退期表示激发状态衰退到原来值的1/e的时间间隔)。
如果控制束的持续时间长于材料42的激发状态的衰退时间，那未激发状态将必然要重复增值，从而导至一个相应的持续时间等于或长于发射的非线性光学响应。因此，为了得到象激发状态一样短的具有τ衰退期的非线性光学响应，这个发射的持续期应当等于或小于激发状态的衰退期(这里τ表示非线性光学响应降低到原来值的1/e所需要的时间间隔)。
使周期时间(所用的控制束之间的时间间隔)等于(或大于)2τ，已发现在材料42引起谐振，非线性光学响应，甚至在较高的重复速率(所用的控制射束的速率等于周期时间的倒数)，基本上无任何较慢的成分。例如，下述材料，的确它的重复速率高于2.5×104HZ(τ＝40μs)，或者高于3.3×1010HZ(τ＝15ps)，或者甚至高达或高于2.5×1011HZ(τ＝2ps)。(就本发明而言，在材料42中的非线性光学响应，在一个特定的重复频率上，基本上没有任何较慢的成分。倘若最初未激发的材料42受到上述重复速率的100个控制束脉冲的作用后，由满足特定标准的最后一个脉冲产生非线性光学响应。这个标准是最大响应的数值(相对于未激发材料为0定义的)与一个时间间隔(在第100个脉冲之后)的响应数值之比等于周期时间，等于或者大于0)。
如上讨论，根据本发明使用两步方法很容易找到呈现较短(激发状态)衰退期的材料。这个方法的第一步是找到密集型材料，例如具有如前面所定义的谐振波长的吸收光谱的固体或液体材料。关于这一点，许多材料的吸收谱可从多种资料中查到(例如见CRC Handbook of Chemistry and Physics，edited by R.C.Weast(CRC Press，Inc.，Bcca Raton，Fla.)，60th edition，1980)，或者利用常规技术很容易测出(关于这些技术可以参考，例如P.Laszlo and P.Stang，Organic Spectroscopy(Harper & Row Publishers，N.Y.)，1971)。第二步是改变控制射束波长、强度和持续时间，直至找到一种波长-强度-持续时间范围(或多个范围)，在该范围下产生具有所要求的衰退期的激发状态(或多个激发状态)。上述激发状态的存在和持续时间使用常规技术是很容检测到的，例如，使用时间分析吸收光谱学或时间分析发光学的技术是可以检测到的。(关于这方面的技术请参见例如，“An Apparatus for Obtaining Accurate Transient Absorption Spectra on the Picosecond Time Scale，”by R.B.Weisman and B.I.Greene in Multichannel Image Detectocs，edited by Y.Talmi〔American Chemical Society，Washington，D.C.，1979〕)典型的具有谐振波长的材料是有机材料，但是也并不排除其他材料。正如讨论过的那样，这种材料之一是PDA。就本发明而言，PDA具有如图4所示的结构的聚合物。其中R表示任何多种侧基的一种，例如对甲笨硫酸盐(PTS)。其他有用的侧基在以下文献中有所描述“Structural Aspects of the Topochemical Polymeri-zation cf Diacetylenes，”by V.Enkelman in Advances in Polymer Science 63(Springer-Verlag，Berlin，Heidelberg，1984)。重要的是这个侧基在确定PDA的光学特性时仅仅起到了较小的作用，一般仅仅用来移动PDA的长波长的吸收峰。这一吸收峰在典型情况下位于630nm(参见图1，是PDA-PTS的吸收曲线)如果R是PTS，已经发现利用如上所述的方法，PDA呈现两种能级状态。一个是较短寿命电子能级状态，在此用S1表示;另一个是较长寿命的电子三重状态，在此用T1表示。这就是当提供的强度等于或小于4×106W/cm2的控制射束情况下，使用2ps长度的控制束脉冲可以发现S1有2ps的衰退期，而且单独在例如625nm的激发波长上增值。另一方面，在较强的强度情况下，发现S1和T1同时增值，T1具有40μs的衰退期。
不仅S1呈现较短的衰退期，而且还意外地发现相应的非线性光学响应在数量上如此之大超过了我们的想象。例如，当S1增值时(使用前面所描述的控制射束谐振波长、持续时间和强度)，在相应的谐振波长(625nm)将可以发现信号射束(正如所考虑的那样)折射系数从约6.0到5.95发生了一个较大的变化。同样也可以发现，信号射束在吸收系数上发生了从约8×105cm-1到约7.96×105cm-1的变化，这也是一个相当大的变化。
可以发现S1增值，不仅产生了谐振信号束的折射系数或吸收系数的较大变化，而且出乎意料地发现，非谐振波长的信号射束的折射系数和吸收系数也产生了相当大的变化。(具体起作用的非谐振波长一般由经验来确定)。
能够在较高的重复速率下工作(依靠材料42相当短的衰退期)的各种光学处理装置40已经有了很大发展，并在图5-9中分别做了描述。例如，图5描述的装置40是一个幅度调制器。在工作时，谐振控制射束46(由源44发射)，用来使较短寿命的能级增值，从而产生吸收系数的变化。一个谐振或非谐振的信号束22(由源20发射)照射到材料42上产生吸收，并因此而调制，也就是产生了强度的变化。
图6描述的装置40的实施例对于例如用作多路信号分离器是有用的。在工作时，两个谐振控制射束46和48(例如由两个控制射束源发射的)在材料42的表面上干涉(与材料42的容积成反比)产生周期性的强度变化，从而产生折射系数的周期性变化，进而在材料42的表面产生衍射光栅。与衍射光栅的形式一致，一个谐振或谐振的信号射束22入射到材料42的表面，从材料42表面反射并衍射。如果信号射束22是由多个光脉冲组成的，则这些光脉冲被复接到一个光波导上，例如光纤上，连接这些光脉冲到装置40上，然后被选择的脉冲很容易地被衍射，依靠有选择性地形成在材料表面上的衍射光栅实现多路分离。为了避免衍射非选择的那些脉冲，脉冲的时间间隔应当等于或大于衍射光栅的衰退期。
图7描述了装置40用作开关的第三个实施例。这个实施例包括两个相交的平面光波导47和49。这些光波导是利用例如PDA薄层42，通过对所选择的晶体表面区域进行能量束，例如热能量束或电子束，照射在晶体上形成的。关于从单晶聚合PDA的技术，请参见J.Berrehar，C.Lapersonne-Meyer and M.Schott，“Polydiacetylene Single Crystal Thin Films，”Applied Physics Letter，Vol.48，No.10，1986，pp.630-631.)在工作时，两个谐振控制束46和48在两个公共的平面光波导单晶区域表面进行干涉，从而产生一个衍射光栅。同时，一个谐振或非谐振信号射束22传播进一个光波导，例如光波导47，该信号射束被衍射(由衍射光栅，并因此被转换，从而进入另一个光波导，例如光波导49。
图8中描述装置40用作调制器的第四个实施例。这个实施例包括一个平面波导47，例如形成在单晶基片上的PDA薄层，在工作时，两个谐振控制束46和48在波导47的上表面进行干涉，产生折射系数周期性的变化。同时，一个信号射束22传入光波导47。如果相邻的周期性折射系数变化的最小值之间的距离d等于信号射束的波长的一半(在该光波导内)，则这种折射系数的周期性变化如同布拉格(Bragg)反射器所起的作用一样，它反射信号射束。因此，在所选择的时间瞬间，通过形成布拉格反射器，使信号射束22被调制，也就是其强度被有选择地减小。
图9描述了装置40的第5个实施例，该实施例也是用作调制器。该实施例(是公知的Mach-Zender开关的一种变形)包含一个光波导45，它分成两叉波导47和49，然后汇合在一起成为一个单个波导45。该实施例还包括位于由于分叉而形成的一个波导，例如波导47，上的一个材料区42(呈现谐振，非谐振光学响应)。工作时，信号射束22传到波导45(如图9所示从左至右)，因而分成两部分光信号通过两个光波导47和49。用谐振控制束46照射材料区42，而材料区42上产生折射系数的变化，这种变化将影响部分信号射束22通过波导47。折射系数的变化必然引起在波导47和49汇合处两个射束之间的相位差。如果折射系数的变化足够大，经过足够长的通路，很容易产生180°的相位差，因此信号射束部分将在波导47与49的汇合处相互抵消干涉，由此，信号射束减小了强度。因此，利用控制射束46对材料区42进行有选择的照射，则很容地实现对信号射束的调制。
如上所述J.L.Jewell等提出的GaAs样品块作为一个光处理器是有用的，然而除了重复速率达不到3.3×1010HZ之外，这种器件还有其他限制，例如当不存在控制射束时，这种样品块出现许多传输峰，每个峰都集中在波长λm处，λm满足下列关系式mλm/α＝nl (1)其中m是正整数(m＝1，2，3……)，n表示GaAs(在被控制束照之前)的折射率，l表示GaAs的厚度。重要的是在样品块工作时，要选择控制射束的波长使之对应的光子能量等于或大于GaAs的带隙，例如控制射束的波长选在800nm(如上所述)，因此控制射束被吸收，从而在GaAs内形成电子空穴对。如上所述，这些电子一空穴对的出现使GaAs的折射率产生很大的变化，但仅仅在很窄的电磁射束波长范围内，即在室温下这个范围从大约870nm(相当于GaAs带隙边缘光子能量的波长)扩展到大约900nm左右。因此，选择GaAs的厚度l，就可以使样品块的一个传输峰处在高于波长30nm的范围之内，例如在890nm(如上所述)，所以由于控制射束引起的折射率的变化有助于使这个传输峰在该波长位置上产生一个相应的位移(这个位移可以用(1)式计算)。因此，如果信号束的波长选择在初始无位移的传输峰的波长上，那么后来的传输峰的位移(由控制射束引起的)使信号束的传输明显下降(相应地由样品块反射的信号射束量增加)，这样就达到了所需要的对信号束的处理。然而，因为GaAs样品块不能使位于大于900nm(0.9μm)波长的传输峰产生足够的位移，这种GaAs样品块不能处理目前流行使用的波长的信号束，例如目前光纤通信系统中最常用的波长1.31μm和1.55μm(目前商品化实用的二氧化硅光导纤维典型的最小色散波长是1.31μm，而典型的最低损耗波长是1.55μm)。
GaAs样品块不仅受到最大可达到的重复速率和能够处理的信号射束波长的限制，而且受到空间分辨率的限制，已经建议把一对控制束和信号束同时射到GaAs校准器两个不同的区域上，以同时对信号束的实现并行处理。但是在GaAs的每个区域中形成的电子一空穴对的寿命期大约为20ns，由于控制束吸收的结果，在此期间它们扩散了大约20μm，为了避免由于从GaAs的一个空间区(处理第一信号束的地方)到第二空间区(处理第二信号束的地方)的扩散引起的可能的互相干扰，这些空间区的尺寸必须大于20μm，这就限制了该样品块能同时处理信号束的数量。
GaAs样品块还有一个限制是它的温度敏感性，即温度的变化会产生与GaAs价带有关的导带边缘的飘移，这个带边飘移导致折射率的很大的变化，这种变化又引起样品块的所有传输峰的位移，特别是与带隙边缘最密切相关的波长的传输峰。结果这种器件处理波长等于无位移传输峰的波长信号束的能力就下降了。
人们发现许多种材料42可以取代GaAs用于上述实施例的光处理器件40，这些材料都可以克服GaAs样品块的限制，如上所述人们还发现许多种材料42(呈现谐振非线性光学响应，衰变时间约小于40μs或约小于2ns或约小于15ps或约小于等于2ps的材料)在其他波长上也常常呈现感应吸收(具有相当短的衰变时间)。(对本发明来说，感应吸收是以单位面积单位入射吸收光子能量(单位是每微微焦耳平方厘米CM2/pj)的吸收的实际变化和/或单位面积单位入射吸收光子能量(单位也是CM2/pj)的折射率的实际变化为特征的量。在这一点上，对本发明来说单位面积单位入射吸收(光子)能量的吸收的实际变化是绝对量。它等于或大于大约103CM2/pj(而单位面积单位入射吸收光子能量的折射率的实际变化绝对量等于或大于大约10CM2/pj)。另外，人们还发现材料42中的许多种在非谐振波长下也呈现显著的非线性光学响应。它们也有约小于40μs，或约小于2μs，或约小于15ps或约小于等于2ps的衰变时间，而且也导致如上面讨论的同类型的感应吸收(有相当短的衰变时间)。(对本发明来说如果非谐振波长下吸收系数α小于2×104CM-1，而大于1×103CM-1，那么在这个谐振波长下，这种材料就基本上呈现非线性光学响应)。另外，人们发现在许多情况下出现感应吸收的波长通常都高于0.9μm，这个感应吸收经常超出大于30μm的波长范围，并且感应吸收波长经常包括有商业意义的波长。
如果在一个样品块上采用那种在一个或多个波长下呈现上述类型的感应吸收的材料42，如果该感应吸收最初导致单位面积单位入射吸收光子能量的吸收量增大，如果样品块的厚度选得能在感应吸收波长上产生样品块的传输峰，那么把一个(谐振或非谐振)控制束射到这个样品块上，则必将在感应吸收波长上使吸收有很大的增加，因此而使传输峰的幅度减小。这样，如果射到样品块的信号束具有与样品块传输峰之一的波长相等的波长的话，当控制射束射到样品块时，信号束通过样品块的传输就大大下降，相应地由样品块的反射增大，这就对信号束进行了处理。下面将更加充分地进行讨论，容易选出能使之允许处理波长大于0.9μm信号束，例如波长1.31μm和1.55μm的材料42和控制束，但用GaAs样品块是不可能的。另外，如果材料42有小于15ps衰变时间的非线性光学响应和感应吸收，(如下所述呈现这种衰变时间的材料容易找到)，那么，样品块就能以高于3.3×1010HZ的重复速率工作，这一点利用GaAs校准器是达不到的。
如上述讨论的，用上述的两步方法可以容易地找到材料42，该种材料42呈现非线性光学响应，即谐振的非线性光学响应和/或非谐振波长下大体上非线性的光学响应，同时，在较大的波长下如0.9μm和/或超出大于30nm的波长范围下又呈现与非线性光学响应及具有相当短的衰变时间的感应吸收相结合的感应吸收。也就是说第一步是找出包含谐振波长和/或基本上呈现非线性光学响应的非谐振波长的吸收光谱密集型材料。然后第二步是改变控制束的波长，持续时间和强度直到找到一个波长-强度-持续时间的范围为止，这个范围产生谐振的或非谐振的非线性光学响应和在所要求的一个或多个波长下具备所要求的衰变时间的感应吸收。利用例如时分吸收光谱学的常规技术很容易检测出谐振或非谐振非线性光学响应以及感应吸收的存在和持续期。(见R.B.weisman和B.I.Greene的文章)。
用上述的方法可以发现，例如在PDA-PTS的情况下，在大约2ps的衰变期内衰变到基态的单个激发态(经过一个相当短寿命的中间态)，用谐振波长为0.64μm，持续期为0.2ps(半峰值带宽)和强度为5×108W/CM2(单位面积脉冲能量和脉冲宽度的比)的控制束脉冲照射下容易增加。而且，这个激发态的增加引起感应吸收。这种感应吸收的主要特征是单位面积单位入射吸收光子能量的吸收量明显增加，所有有效波长都从0.7μm复盖到至少1.7μm范围之内，其中包括1.31μm和1.55μm波长，而且呈现大约0.8ps的衰退期(这些感应吸收的存在仅仅测到了1.7μm，在更高的波长上可能也存在)。因此，包含有PDA-PTS的样品块可以进行具有光纤通信系统中目前最好用的波长信号的光学处理，也可以处理超过波长范围30μm以上的信号束，而重复速率可以达到2.5×1011HZ。
如果选择材料42使之呈现一个激发态和一个具有小于GaAs中产生电子-空穴对的衰退期小于15ps的感应吸收，而且如果与材料42的激发有关的能量转换速率和在GaAs中电子-空穴对的扩散速率相似的话，那么，在这个激发态和感应吸收的相当短的衰退期间，这个能量(与材料42的激发有关)将被传播一段距离，但这个距离比在较长的衰退期中GaAs的电子-空穴对横越的距离要小。因此采用这种材料42的样品块将能够克服GaAs样品块的其他限制，即它将能同时处理比相同尺寸的GaAs样品块更多的信号射束。
如上所述，典型的材料42(虽然不是唯一的)是有机材料而不是无机材料，像是用GaAs的情况。重要的是已经发现采用有机材料的样品块的性能不像采用GaAs样品块对温度的波动那么敏感。
由于上面的这些发现，又发展了光处理器40的新的实施例，它可以用于上面讨论的光处理系统10。这个新的实施例在图13上做了描述，它包括一个样品块70以及一个控制射束46的发射源44见图3)。样品块70包括一个夹在两个向内对面(如图13的视图)的镜面表面66的材料区64之间的材料区42。选择材料区42，使之呈现谐振的非线性光学响应和/或在非谐振波长下基本上非线性的光学响应以及在一个或多个波长下具有相当短的衰退期的复合感应吸收，如上所讨论的那样。这个感应吸收最好是在大于0.9μm的波长上和/或超过大于30μm的波长范围。
典型的材料区64是介质材料，如磁性材料的氟化物或硫化锌，它们都有向内的表面66和一个向外的表面68，尤其是两个向外的表面68对控制束46和信号束22都呈现相当低的反射率，即在控制束和信号束波长下，表面68的反射小于入射束的5%(允许控制束和信号束穿透进入样品块内部)。把普通(单层)抗反射涂层涂复到表面68上，就可以达到这样低的反射率。另外，至少一个内表面66即最初由控制束照射的表面66，设计为在控制束波长下对射束呈现相当低的反射率，(如上所限定的)，而两个内表面66均设计得对信号束波长下的射束呈现相当高的反射率，(即反射率大于50%)。在表面66上采用多层镀膜的方法可以做到在两种波长下有不同的反射率。
在样品块70工作期间，信号束22的波长必须等于感应吸收波长中的一个。这样，材料区42的厚度就要如此来选择，即在这个特定的感应吸收的波长下，产生一个样品块的传输峰，一般材料区42的厚度最好小于50μm，不希望这个厚度大于50μm，因为这会使器件的反差相当低。
图13所描述的样品块是用作幅度调制，以及时分和波分的多路复用和多路分离，例如如果要使单个信号束22进行调制，那么，用控制束46有选择地照射样品块，就使最初集中干信号束波长的传输峰产生位移和/或幅度的变化，就被有选择地降低了通过样品块的信号束的传输，就完成了所要求的幅度调制。另外，如果一个单个的未调制的即强度恒定的，波长等于样品块的一个传输峰波长的信号束照射到样品块上，并且有两个或多个经调制的即包含信息的控制束46射在样品块上，那么，控制束所包含的信息被加到了原来末被调制的信号上，导致产生时分多路复用信号束。同样，如果材料区42在两个或多个波长下呈现感应吸收，而在这些波长上样品块又有传输峰，同时样品块被单个的包含有样品块传输峰的波长的未调制信号束照射，那么，用两个或多个包含信息的控制束46照射样品块，将把单个的未调制的信号束变换成为波分的多路复用信号束。另一方面，如果样品块被一个时分或波分多路复用信号束照射的话，那么用一个或多个控制束46有选择地照射样品块，会引起一个或多个包含在时分或波分多路复合信号束有选择地从样品块反射，因此而完成了分离信号的处理。
例1.
一个形状不规则的PDA-PTS样品，长宽大约都是1CM，厚2mm，利用上述J.Berrehar等提供的方法热聚合成为单晶体。这个样品包括一个自然生长晶面(一个表面)，它包含晶体的b轴(即b轴平行于由该晶面所限定的平面)，样品的长和宽都是大约1CM。
用一个单个的被放大了的碰撞脉冲锁模(CPM)染色激光器产生照射在PDA-PTS晶面上的信号束脉冲和控制束脉冲，这个激光器以10HZ的重复速率产生光脉冲，波长集中在625nm(FWHM7nm)，持续时间等于70毫微微秒，能量是每个脉冲400微焦耳。工作时，由激光束发射的每个光脉冲分成为两个脉冲，即一个信号束脉冲和一个控制束脉冲，其中一个脉冲(信号束脉冲)相对于另一个脉冲(控制束脉冲)可调延时，(用普通的光学延迟线)。
由激光器发射的控制束脉冲被会聚(用普通透镜)到PDA-PTS晶面上，直径大约1mm。在聚会之前，先用普通的中透明度滤光器把每一个控制束脉冲进行衰减，以改变控制束强度，另外，每个控制束脉冲通过极化器进行控制束平行于晶体b轴的极化。
把每个信号束脉冲会聚到一个盛有水的小容器中(用普通透镜)，使之有3CM的光通路，以完成连续振荡，即产生一个持续期(70mps)基本上不变的光谱加宽激光脉冲。然后把连续脉冲通过一个波长集中于625nm(FWHM9nm)的频谱陷波滤波器选出所需要的波长，经过频谱过滤的脉冲再经过中透明度滤光器使信号束脉冲的强度小于相应的控制束脉冲的强度。另外，每个信号束脉冲通过一个极化器，使信号束极化，与控制束的极化方向一致。然后再把信号束脉冲会聚到晶面上(用普通透镜)成一个与控制束脉冲相同的光点。
把一个普通的50/50光束分离器安置在信号束通路上，使一部分信号束改变方向而离开晶面达到第一硅光电二极管检测器，信号束剩余部分则射到晶面上，反射并由第二硅光电二极管检测器检测。
由两个检测器产生的信号相减，得到一个结果信号，在没有控制束脉冲的情况下，结果信号的幅度没有变化，而在控制束射到晶面上时，由于谐振非线性光学响应产生反射率的变化△R，这就引起结果信号幅度的变化。
测出在PDA-PTS中感应的谐振非线性光学响应的瞬时成分或分量，并把△R对于不同的延时时间和不同的控制束脉冲强度作为延时时间的函数绘制下来。对于控制束脉冲强度为1010W/CM2的这样一条曲线表示在图10上。分析这条曲线表明存在着寿命期大约为为2ps延时的第一瞬时成分和寿命期长得多的第二瞬时成分。
降低信号束脉冲的强度，就产生一个被降低的结果信号(比图10上所示的信号)。特别是第二瞬时成分比第一瞬时成分下降的更多。
例2.
如上述的RDA-PTS样品，再次用信号束和控制束脉冲照射，如上所述，信号束脉冲可调延时，但是，先照射在样品上的控制束脉冲用普通的50/50光束分离成为两个脉冲，然后，被分离的控制束脉冲穿过一样长度的通路之后用镜面在晶面的表面上重新会合，这些有大约16°的交角的重新结合的脉冲在晶面表面处，借助于谐振非线性光学响应，相互干涉形成强度周期性变化的图形，并使入射到晶面上的那部份信号束脉冲发生衍射。
把来自两个检测器的检测信号不是相减，而是相除，(信号束脉冲的衍射部分产生的检测信号与信号脉冲改变方向部分产生的检测信号相除)得到一个结果信号。对于相干控制束脉冲强度为6×109W/CM2的情况，这样的结果信号表示在图11上。如上所述，表明这个结果即包括短寿命期的瞬时成分，又包含长寿命期的成分，把相干控制束脉冲强度降低到6×108W/CM2，产生了图12所示的结果。分析表明，基本上只出现短寿命期的瞬时成份。
例3.
厚度为1.7μm的PDA-PTS单晶薄膜，是用M.Thakur和S.Meyler提供的方法生长的，(见“Growth of Large-Area Thin Film Single Crystals of Poly(diacetylenes)”，Macromolecules，Vol.18，P.2341，1985。
R.B.Welsman和B.I.Greene描述的瞬态吸收光谱技术，用来检测PDA-PTS的感应吸收，就是用一个单个的CPM染色激光器，产生波长630nm和持续期为200mps的光脉冲，这些脉冲用钕-YAG泵浦的染色激光器/放大器，达到脉冲能量500微焦耳，每个由CPM激光器产生的被放大的光脉冲(用一个普通的光束分离器)分离成两个脉冲，即一个信号束脉冲和一个控制束脉冲。这些脉冲的其中之一(信号束脉冲)相对于另一个(控制束脉冲)可调延时，在两个脉冲射到PDA-PTS之前，探测PDA-PTS的瞬态响应。两个脉冲的光点尺寸在PDA-PTS表面都是大约1mm直径，控制束脉冲能量在PDA-PTS表面上大约是1微焦耳，用普通的光电二极管来检测由PDA-PTS传输的信号束脉冲。
每个信号束和控制束脉冲都经过例1所述的连续振荡，以达到光谱加宽脉冲，即光脉冲的波长范围加宽到从0.4μm到1.7μm，然而，光谱加宽的控制束脉冲通过一个仅能传输640±5nm的光谱陷波滤光器，就产生了波长为640nm的控制束脉冲，因此，在信号束波长范围为0.4μm到1.7μm内，可测出PDA-PTS的瞬态响应。
由上述光谱技术的结果，清楚表明对应于控制束脉冲在PDA-PTS之内存在一个感应吸收，其波长范围大约从0.7μm到1.7μm，衰退期为0.8ps。
例4.
用光学粘结剂把例3的PDA-PTS薄膜粘结到两个介质涂复的镜面上，制成一个样品块，这种介质涂复镜面是从新墨西哥州，A lbuguerque CVI公司购买的。这种镜面对0.96μm光波的反射为95%(1.0μm的波长的光波反射也是95%)，而对0.64μm波长的光传输效率大于85%。
用例3的瞬态吸收光谱学方法得到的对不同信号束波长，作为控制束脉冲和信号束脉冲间延时时间的函数的瞬态响应曲线表示在图14上，此处，信号束光点尺寸是直径25μm，控制束光点尺寸直径100μm，控制束脉冲能量大约为8微焦耳。这个曲线表示在1μm波长下，(样品块的一个传输峰)校准器传输的瞬态变化，同时也表示该瞬态变化有大约1ps的衰退期。
权利要求
1.一种光学系统包括至少一个第一电磁波源；在与所说的第一波源相联的光学系统中，用来处理由第一波源发射的射束的装置；在与所说的装置相联的光学系统中的波束检测器，其特征在于，上述装置包括一个材料区，该材料区在一个或多个电磁射束的谐振波长上呈现一种非线性光学响应，或者在电磁波射束的一个或多个非谐振波长上呈现显著的非线性光学响应，并且在一个或多个电磁射束的波长上或在(a)和(b)兼有的情况下呈现一种与非线性光学响应相连系的感应吸收；还包括与上述材料区有光学连系的，至少一个第二电磁射束源；由所述第二电磁射束源发射的电磁射束的波长，持续期和强度的选择应实现上述(a)状态或(b)状态或(a)和(b)兼有的状态，从而使上述材料区中，当重复速率约大于3.3×1010Hz情况下，基本上没有任何比较慢的成分，上述，重复速率约大于由基本上没有GaAs的材料区提供的2·5×104的重复速率。
2.按照权利要求
1的光学系统，其特征在于所述的材料区在一个或多个电磁射束的波长下，呈现感应吸收，并在一个或多个电磁射束的谐振波长上伴随有非线性光学响应;所述的由第二个源发射的电磁射束的波长，持续时间和强度，应该选择得实现上述的谐振，非线性光学响应和与之相联系的感应吸收，在上述材料中在重复速率大约3.3×1010HZ的情况下，基本上没有任何比较慢的分量，上述重复速率大于由基本上没有GaAs的材料区提供的2.5×104的重复速率。
3.按照权利要求
2的光学系统，其特征在于所说的装置包括一个含有所说的材料区的样品块。
4.按照权利要求
3的光学系统，其特征在于由上述第一个电磁波源发射的电磁波束包含有在该波长下上述材料区呈现感应吸收的射束，并且，上述材料区的厚度应选择为对于上述样品块而言，出现一个传输峰，从而在上述重复速率下，基本上没有比较慢的成份。
5.按照权利要求
3的光学系统，其特征在于所说的感应吸收在上述的重复速率下，在波长范围延伸大于大约30nm情况下，基本上没有任何较慢的成份。
6.按照权利要求
3的光学系统，其特征在于以上述重复速率，在波长等于1.31μm情况下的感应吸收，基本上没有较慢的成份。
7.按照权利要求
3的光学系统，其特征在于以上述重复速率，在波长等于1.55μm的情况下的感应吸收，基本上没有较慢成份。
8.按照权利要求
3的光学系统，其特征在于所速的材料区的成分，应选择得能在大于0.9μm的波长情况下实现感应吸收，并伴随上述谐振和非谐振非线性光学响应。
9.按照权利要求
1或2或3的光学系统，其特征在于所说的材料区包括有机材料。
10.按照权利要求
9的光学系统，其特征在于所说的有机材料包括聚丁二炔。
11.按照权利要求
1或2或3的光学系统，其特征在于所说的装置包括一个幅度调制器。
12.按照权利要求
1或2或3的光学系统，其特征在于所说的装置包括一个多路分离器。
13.按照权利要求
1或2或3的光学系统，其特征在于所说的装置包括一个开关。
专利摘要
本发明披露了一种光学系统，它包括第一电磁波(信号波束)波源(20)，一个信号波束处理器(40)和一个检测被处理信号波束的检测器(60)，该处理器起幅度调制器，分离器或开关的作用，它包括一个在一个或多个谐振波长下，呈现非线性光学响应的材料区，以及至少一个有选择地感应非线性光学响应的第二电磁波(控制射束)波源(44)。特别是控制束的波长，持续时间和强度的选择，要在所说的材料区内，以高于2.5×10
文档编号G02F1/35GK87105128SQ87105128
公开日1988年5月11日 申请日期1987年6月17日
发明者本杰明·欧文·格林, 丽贝卡·鲁恩·米勒德, 约瑟夫·奥伦斯坦, 戴国洲, 姆林纳尔·撒克尔, 利厄·鲁比·威廉斯 申请人:美国电话电报公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan